Budowa Wszechświata
i współczesne teorie jego powstania i rozwoju
Wszechświat to wszystko co istnieje - materia, przestrzeń, energia i czas. Znajdują się w nim gwiazdy, planety i inne obiekty kosmiczne. Widzialna część wszechświata rozciąga się na 1,6 kwadrymilionów (milionów trylionów) kilometrów.
Ciała niebieskie mogą być naturalne, takie jak gwiazdy i planety, oraz sztuczne, takie jak satelity.
Najbardziej charakterystycznymi obiektami kosmicznymi są gwiazdy - olbrzymie kuliste obiekty, składające się z gazu o bardzo wysokiej temperaturze - we wnętrzu około kilku milionów stopni, na zewnątrz kilku tysięcy stopni. Gwiazdy, przez większą część swojego życia, świecą w wyniku zachodzących w ich wnętrzu reakcji termojądrowych. Gwiazdy są obiektami o bardzo dużej masie, zazwyczaj występują w większych zgrupowaniach - galaktykach. Dookoła gwiazd, w wyniku silnego przyciągania grawitacyjnego, krążą mniejsze obiekty, takie jak planety. Najbardziej znanym nam przykładem gwiazdy jest Słońce - gwiazda, dzięki której na naszej planecie istnieje życie.
Gwiazdy powstają z wirujących chmur wodoru i pyłu kosmicznego. W wyniku kondensacji materii zwiększa się siła grawitacji, rożnie gęstość oraz temperatura, aż wreszcie warunki są odpowiednie do tego, aby zaczęły we wnętrzu gwiazdy zachodzić reakcje termojądrowe - jest to początek świecenia gwiazdy. Z biegiem lat paliwo w reakcji termojądrowej - wodór - się kończyć, i gwiazda zaczyna się kurczyć.
Gwiazdy mają różną wielkość. Słońce jest małą gwiazdą, zaliczaną do tzw. karłów. Po wyczerpaniu wodoru, gwiazda taka pęcznieje i zmienia się w czerwonego olbrzyma: chłodniejszą, jednak znacznie jaśniejszą gwiazdę. Po całkowitym zużyciu wodoru, gwiazda zaczyna się zapadać do kuli o średnicy kilku kilometrów. Ma ona tak olbrzymią gęstość, że jedna łyżeczka materii z takiej gwiazdy ważyła by na Ziemi ponad 10 ton! Takie skurczone gwiazdy, bardzo gorące i intensywnie świecące, to białe karły. Największe gwiazdy, nazywane nadolbrzymami, po wygaśnięciu stają się prawdopodobnie czarnymi dziurami. Nieco mniejsze od nich, olbrzymy, przekształcają się natomiast w gwiazdy neutronowe.
Jak już wspomniano, gwiazdy zazwyczaj grupują się w galaktyki. Są to olbrzymie układy, złożone z gwiazd, krążących dookoła nich planet i innych obiektów oraz materii międzygwiezdnej. Galaktyki mogą mieć różne kształty, na przykład kształt eliptyczny, kształt spirali albo nieregularny.
Słońce znajduje się w galaktyce spiralnej zwanej Drogą Mleczną. Wszystkie gwiazdy, widoczne gołym okiem, należą do naszej galaktyki. Charakterystyczną cechą Drogi Mlecznej jest to, że na jej obrzeżach występują spiralne ramiona, w których jest szczególnie duże zagęszczenie gwiazd. W centrum takich ramion znajduje się jaśniejsze jądro, dookoła którego krążą inne obiekty.
Innym obiektem kosmicznym, bardzo efektownym, są mgławice - rozległe obłoki pyłów i gazów międzygwiezdnych. Mgławice występują same lub wraz z gwiazdami, oraz mogą być jasne lub ciemne. Jasne mgławice świecą własnym lub odbitym światłem, i są dobrze widoczne w przestrzeni kosmicznej. Ciemne mgławice są niewidoczne, można je zobaczyć jedynie wtedy, gdy przesłonią jakiś inny obiekt.
Wszystkie obiekty kosmiczne poruszają się po torach zwanych orbitami. Orbity mogą być eliptyczne (takie jak orbity planet w układzie Słonecznym), paraboliczne lub hiperboliczne.
Słońce, Ziemia i inne planety, a także różne inne obiekty kosmiczne, stanowią układ planetarny. Wszystkie obiekty w układzie planetarnym są ze sobą wzajemnie powiązane siłami grawitacji. W przypadku naszego Układu Słonecznego prawie cała masa jest skupiona w Słońcu (98,86%), które jest obiegane po eliptycznych orbitach przez 9 planet: Merkury, Wenus, Ziemia, Mars, Jowisz, Saturn, Uran, Neptun, Pluton. Większość z planet posiada dodatkowo naturalne satelity - księżyce. Spośród wszystkich obiektów Układu Słonecznego Ziemia jest jedynym, na którymi istnieją odpowiednie warunki dla życia. Cały Układ Słoneczny, podobnie jak inne układy planetarne, krąży wokół centrum galaktyki.
W pobliżu Układu Słonecznego nie ma żadnych innych gwiazd ani układów planetarnych. Pierwszym układem odkrytym przez astronomów, znajdującym się stosunkowo "niedaleko" Ziemi, jest układ utworzony przez gwiazdę ypsilon Andromedae. W roku 1996 Butler i Marcy dokonali w tym układzie obserwacji planety o wielkości Jowisza. Kilka lat później udało im się odkryć dwie kolejne planety, znacznie większe od pierwszej.
Planety są to obiekty nie przekraczające 1000 km średnicy, są związane z gwiazdą, dookoła której krążą po eliptycznej orbicie. Planety dodatkowo obracają się wokół własnej osi, przez co ich kształt nie jest kulisty, tylko lekko spłaszczony (elipsoidalny). Planety mogą świecić światłem odbitym, pochodzącym z gwiazdy. Dookoła planet krążą zazwyczaj satelity - księżyce. Na większości znanych planet występuje także otoczka gazowa, zwana atmosferą. Niektóre planety (np. Saturn, Uran, Naptun) posiadają dodatkowo pierścienie, złożone z lodu, skał oraz pyłu międzygwiezdnego.
Kolejnym rodzajem obiektów kosmicznych są satelity - sztuczne lub naturalne obiekty krążące wokół planet. W przypadku Ziemi istnieje jeden naturalny satelita - Księżyc.
Według najpopularniejszej obecnie teorii Wielkiego Wybuchu Wszechświat powstał około 13,73 mld lat temu z obiektu o ogromnej gęstości i temperaturze (model gorącego wszechświata). Przez "powstanie" rozumiemy tu wyłonienie się przestrzeni i czasu, a wraz z nimi cząstek elementarnych i promieniowania. W modelu Wielkiego Wybuchu wszechświat podlega ciągłej ekspansji, równocześnie stygnąc.
To model powstania Wszechświata uznawany przez współczesną kosmologię za najbardziej prawdopodobny. Według tego modelu ok. 13,73 mld lat temu dokonał się "Wielki Wybuch" - z nieprawdopodobnie gęstej i gorącej osobliwości początkowej wyłonił się Wszechświat (przestrzeń, czas, materia, energia, oddziaływania, itd.).
Teoria ta opiera się na obserwacjach wskazujących na rozszerzanie się przestrzeni. Przemawia za tym przesunięcie ku czerwieni odległych galaktyk zgodne z prawem Hubble'a w powiązaniu z zasadą kosmologiczną.
Ekstrapolując z przeszłości, obserwacje te wskazują, że Wszechświat rozszerza się od stanu, w którym cała materia oraz energia Wszechświata miała ogromną gęstość i temperaturę. Fizycy nie są zgodni co do tego, co było przedtem ale teoria ogólnej względności przewiduje, że był to stan grawitacyjnej osobliwości. Termin Wielki Wybuch jest używany zarówno w wąskim znaczeniu na określenie momentu, gdy zaczęło się obserwowane rozszerzanie się Wszechświata oraz w szerszym - jako określenie dominującego paradygmatu naukowego objaśniającego powstanie Wszechświata oraz uformowanie się przez nukleosyntezę pierwotnej materii. Utożsamianie wielkiego wybuchu z eksplozją jest o tyle niefortunne, że proces ten, tak jak rozumie i ujmuje go współczesna kosmologia nie polegał na ekspansji w pustej przestrzeni lecz dotyczył "rozdymania" przestrzeni jako takiej.
Kosmolodzy opracowali szczegółowy scenariusz rozwoju Wszechświata od pierwszych milisekund życia po dzień dzisiejszy. Nie są całkiem pewni, jaki koniec czeka Wszechświat. Ale pewne oznaki wskazują na to, że będzie się rozszerzał już zawsze, aż znikną wszystkie gwiazdy i galaktyki.